Восстановление мышц нарушается, когда стволовые клетки теряют свою идентичность

Фото из открытых источников

При растяжении мышцы специализированные восстановительные клетки вдоль волокон активизируются, чтобы восстановить ткань. Но поддержание жизнеспособности и деления этих клеток не гарантирует заживления.

Когда ученые удалили из этих клеток у мышей белок TRF2, поврежденные мышцы заполнились рубцовой тканью и жиром, а не свежими мышечными волокнами. Это открытие переосмысливает роль TRF2, молекулы, исторически известной исключительно своей защитной функцией на кончиках хромосом.

Работу возглавила Фотейни Муркиоти из Медицинской школы Перельмана. Ее лаборатория изучает стволовые клетки мышц, регенерацию и биологию теломеров. Муркиоти рассказала о том, что произошло дальше. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.

«Самым большим сюрпризом стало то, что стволовые клетки мышц не погибли, что и предсказывали десятилетия исследований TRF2 в других типах клеток», — сказала она. «Вместо этого они оставались живыми и продолжали размножаться, но утратили молекулярную идентичность, которая позволяет им функционировать как мышечные стволовые клетки и регенерировать поврежденные мышцы».

Мышечное волокно не может делиться, поэтому восстановление происходит за счет отдельной группы клеток, расположенных между волокном и окружающей его оболочкой. В здоровой мышце они в основном находятся в спящем состоянии.

После травмы стволовые клетки активизируются, размножаются и сливаются, образуя новые мышечные волокна. Некоторые из них возвращаются в состояние покоя, чтобы не исчерпать свой резерв. Каждая из них вырабатывает белок под названием Pax7, по которому исследователи подсчитывают их количество.

Белок TRF2 находится в другом месте. Хромосомы заканчиваются длинным участком повторяющейся ДНК, и этот участок предотвращает слияние свободных концов или их распознавание как разрыв. Эти концевые участки называются теломерами, и TRF2 — один из белков, который связывается с ними.

Покоящиеся стволовые клетки мышц содержат большое количество TRF2. Через два-три дня после травмы, когда клетки делились наиболее быстро, их выработка значительно снижалась, а через 14 дней уровень TRF2 в неповрежденной мышце снова становился равным уровню в неповрежденной мышце.

Команда вывела мышей, у которых препарат отключает ген TRF2 только в мышечных стволовых клетках и нигде больше. Мыши выглядели нормально. Масса тела и мышечная масса соответствовали нормальным показателям. Но через две недели после введения препарата количество клеток Pax7 в их мышцах снизилось, а через 12 недель оно стало еще ниже.

Затем последовала травма. Обеим группам сделали инъекцию нотексина, змеиного яда, который убивает волокна в одном месте, в мышцу голени.

Через 14 дней у контрольных мышей мышечная масса вернулась к исходному уровню. У мышей-мутантов она продолжала снижаться, и новые волокна в их мышцах не появлялись ни через 5, ни через 14 дней. Через две недели место повреждения заполнилось рубцовой тканью и жиром внутри мышцы.

Потеря такого количества стволовых клеток обычно означает их гибель. В данном случае этого не произошло. Исследовательская группа искала погибающие клетки несколькими способами, и в мутантных мышцах их было не больше, чем в норме. Менее 1% стволовых клеток в обеих группах несли маркер запрограммированной клеточной смерти.

Ни в одной из групп не было обнаружено признаков превращения в стареющие клетки, которые навсегда прекращают деление. Они также продолжали делиться: через два дня после травмы мутантные клетки размножились в той же степени, что и контрольные.

Когда стволовые клетки перестают функционировать, обычно виной тому укороченные теломеры . Но не в этом случае. Длина теломер была одинаковой в обеих группах, и ни один из белков, вызывающих повреждение и скапливающихся на незащищенном конце хромосомы, не был обнаружен.

Аналогичная делеция в эмбриональных клетках соединительной ткани мыши привела к появлению всех этих сигналов, а также аномальных хромосом.

Изменилось то, какие гены были активированы. В мутантных клетках 1383 гена были подавлены, а 837 — активированы.

Среди генов, активность которых была подавлена, был сам ген Pax7, а также большинство других генов, которые позволяют идентифицировать мышечную стволовую клетку как таковую. Тип клетки сохраняется, потому что набор генов остается активным как в мышцах, так и в других тканях.

Мышечная дистрофия Дюшенна начинается с потери дистрофина — белка, который удерживает мембрану мышечного волокна вместе под нагрузкой. Волокна разрываются, и запас стволовых клеток истощается по мере повторения цикла. Заболевание поражает преимущественно мальчиков.

В широко используемой модели мышечной дистрофии Дюшенна эти стволовые клетки уже производили меньше TRF2, чем у здоровых мышей. Два других белка, связывающих концы хромосом, оставались неизмененными. Удаление гена TRF2 у мышей mdx только усугубило и ускорило развитие заболевания. К 20 неделям они стали меньше, чем мыши mdx, и стояли с вялой осанкой.

Их мышцы атрофировались, а не увеличились в размере, что обычно происходит с мышцами mdx на ранних стадиях, а их позвоночник искривился — признак человеческого заболевания, который не развивается у мышей mdx.

Диафрагма, мышца, обеспечивающая дыхание, оказалась тоньше и сильнее повреждена, а количество клеток Pax7 снизилось примерно на 95% по сравнению с уровнем у мышей mdx.

Мыши с двойной мутацией начали умирать в возрасте 12 недель, и ни одна из них не дожила до 28 лет, в то время как обычные мыши mdx живут примерно столько же, сколько и здоровые мыши. В этом сравнении участвовали 21 мышь mdx и 23 мыши с двойной мутацией.

«В мышиной модели мышечной дистрофии Дюшенна нарушение этого механизма ускорило прогрессирование заболевания, что позволяет предположить, что сохранение идентичности мышечных стволовых клеток может стать важной терапевтической стратегией», — сказала Муркиоти.

Команда исследователей искала места в геноме, где работает TRF2. В результате картирования было обнаружено 20 277 мест, где он связывался с ДНК стволовой клетки мышцы. Большинство из них находились на концах хромосом.

Остальные были распределены по всему геному, в основном в промоторах, генных переключателях, расположенных непосредственно перед генами, которые помогают определить, как часто они считываются.

Примерно половина этих участков имела нечто общее. Там, где ДНК богата гуанином, нить может сворачиваться сама в себя в четырехцепочечный узел вместо обычной двойной лестницы. Химики называют эту форму G-квадруплексом.

Из 622 генов, с которыми TRF2 связывается напрямую и которые утратили экспрессию после его удаления, 89,7% содержали одну из тех свернутых последовательностей в ДНК, которые контролируют их, в том числе Pax7.

Затем команда обработала клетки PhenDC3, соединением, которое делает эти узлы более стабильными. Нормальные клетки, обработанные этим веществом, производили больше Pax7, причем больше при более высоких дозах, а мутантные клетки производили столько же, сколько и нормальные.

У мышей с дистрофией, которым сделали три инъекции в поврежденную мышцу, в течение следующей недели образовались новые, более крупные волокна.

«Мы обнаружили, что TRF2 действует через эти вторичные структуры ДНК, сохраняя идентичность стволовых клеток мышц и поддерживая их способность восстанавливать поврежденные мышцы», — сказала Муркиоти.

Всё это происходило на мышах, в основном в группах по три-шесть животных каждого генотипа. PhenDC3 — это исследовательское соединение, и тест заключался в трех инъекциях в одну мышцу, результаты которых оценивались через неделю по размеру мышечных волокон, а не по силе или выживаемости.

Причины снижения уровня TRF2 после травмы и его последующего повышения остаются неизвестными, и, по словам авторов, эти сигналы, действующие выше по цепочке, еще предстоит выяснить.

Вопрос о том, как стволовая клетка мышцы защищает концы своих хромосом без этого белка, также остается открытым, и эти клетки, очевидно, справляются с этой задачей.

Раковые заболевания скелетных мышц встречаются относительно редко. Авторы предполагают, что регулирование уровня этого белка может быть частью механизма, позволяющего мышцам восстанавливаться на протяжении всей жизни без риска развития подобных заболеваний.

Муркиоти заявила, что полученные результаты поднимают новые вопросы о биологии мышц и регенерации тканей. На вопрос Earth.com о том, насколько это близко к лечению, она ответила прямо.

«Это важное открытие в фундаментальной науке, которое выявляет новый механизм, контролирующий функцию мышечных стволовых клеток, но пока это не терапевтическое средство», — сказала она. «Следующие шаги заключаются в определении того, действует ли этот механизм также в мышцах человека и может ли понимание этого пути в конечном итоге привести к безопасным и эффективным стратегиям улучшения регенерации мышц при мышечной дистрофии или других мышечных заболеваниях».

Следующий вопрос, требующий ответа, — работают ли стволовые клетки мышц человека аналогичным образом.